雙向交互式可見光通信系統的設計

摘 要：本文提出一種雙向交互式可見光通信系統，此系統研究可見光識別信號（VLID）的編解碼技術，以使系統中的信號滿足基本通信需求；同時研究自由空間的抗干擾技術，解決可見光信號傳輸范圍中重合干擾問題。

關鍵詞：可見光通信；雙向交互式；可見光識別信號

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）12-0054-03

Design of the Bidirectional Interactive Visible Light Communication System

QIAO Qi

（Huaian Vocational College of Information Technology，Huaian 223003，China）

Abstract：This paper presents a bidirectional interactive visible light communication system. Research on codec technology of VLID，make the signal in the system meet the basic communication needs.At the same time，research on anti-interference technology in free space. The problem of overlapping interference in the range of visible light signal transmission is solved.

Keywords：visible light communication；bidirectional interaction；visible light ID

0 引 言

可見光通信技術是近年來飛速發展的一種新型的無線通信方式，是利用可見光作為信息的載體，直接傳輸信號的一種通信方式。其通常使用白LED燈作為信號的發送器件，給白LED燈裝上微芯片，可以控制它以每秒數百萬次的頻率進行閃爍，LED燈亮就表示1，LED燈滅表示0。由于閃爍頻率很快，人眼根本不會覺察到，但是光敏傳感器卻可以接收到這樣的變化，將二進制數據快速地編碼成通信信號，并進行有效傳輸。本文研究可見光通信系統中VLID編解碼、信號重合干擾等，以實現在移動場景中的雙向交互式通信。

1 可見光通信系統編解碼技術

可見光通信系統中的白LED燈通常作為照明光源來使用，但要將其作為信號的發送器件，就需要系統采用適合的編解碼技術，將燈光信號組成一定規律的編碼序列。此外，接收端在接收到信號時還需要進行校驗，如果發現錯誤則將收到的信號丟棄，不再進行下一步處理。

無線可見光通信系統中的每一個可見光發送端都要有獨特的可見光標識，從而區分系統中的各個光源，尤其是相鄰近的光源，這就需要研究可見光識別信號（VLID）編碼算法。本文提出采用曼徹斯特編碼方式，此種編碼方式簡單有效，可以滿足可見光通信系統中信號通信的需求。

1.1 幀封裝及編解碼設計

本系統所采用的VLID編碼器原理如圖1所示。

采用二進制振幅鍵控方式進行調制信號，當脈沖值為1時，將LED燈點亮，當脈沖值為0時，將LED燈熄滅。發送數據幀時，插入數字1作為信號脈沖的起始位，之后發送數據幀。

在VLID廣播設備中，脈沖信號的幅值用8比特二進制數值來表示，經過光發射器轉換后，可以控制可見光信號的強度。

1.2 信號接收端的信號接收

為了避免信號在傳輸過程受到干擾，必須對信號進行處理，轉為串行數字信號發送給FPGA。本文設計的光接收器，將信號進行隔直、運算放大之后得到的是反向脈沖信號，即脈沖信號值為0時表示光亮，脈沖信號值為1時表示光滅。

可見光通信系統對光接收器的抗干擾性能要求較高，如果在信號傳輸過程中存在大量噪聲干擾，而光接收器不能有效濾除噪聲，將會使得系統一直處于異常采樣的錯誤狀態。VLID解碼器的原理框圖如圖2所示。

可見光通信系統的VLID解碼器安裝在移動終端上，用來識別接收的VLID信號，同時要完成信號的解碼。判決器的輸出接口連接至解碼器的輸入端，對經過兩次數據采樣后的信號進行曼徹斯特解碼，再進行VLID信號的校驗操作，將收到的錯誤信號丟棄，直到獲取正確的VLID信號。

2 可見光通信系統抗干擾技術

LED的光照示意圖如圖3所示。Ф1/2為LED的半功率角，α為LED光線到某一反射點的光照角，β為反射光線到接收終端的光照角，Ψr為光線的入射角，D1為LED到反射點之間的距離，D2為反射點到接收終端的距離。

可見光通信系統中的LED首先要滿足照明功能，LED的半功率角是確定光照覆蓋區域的重要參數。為了使光照覆蓋區域最大化，要求半功率角應該保持較大的角度。為了滿足通信的基本要求，需要合理設置接收終端的視場角Ψc，該角度是從LED到接收終端可接收的光信號角度。對視場角的設置有視場角大于等于半功率角和視場角小于半功率角兩種情況。本文僅研究Ψc≤Ф1/2的情況，此時接收器能夠接收到信號的區域要小于LED光照覆蓋區域范圍。可見光通信系統中一般需要多個LED，用來滿足照明需求，每一個LED發出的可見光識別信號（VLID）各不相同，那么相鄰LED發出的信號會發生傳輸范圍重疊的問題，如圖4所示，那么重疊區域里的終端設備就會收到兩個VLID信號，此時進行識別就比較困難。

我們有兩種方法可以解決這樣的問題：

（1）第一種方法是合理設置系統中設備的信號強度，如圖5所示，設置可見光信號強度大小，靈活地改變可見光信號傳輸的有效范圍，這樣就可以解決相鄰的LED發出的信號交疊的問題。

（2）第二種方法是在終端收到可見光識別信號時，加入校驗機制，例如終端在一定的時間內必須接收到同一個VLID信號，否則認為是收到了錯誤信號，此時終端還需要反饋信息，告知系統此時出現了信號重疊。

3 雙向交互式通信

目前大多數的可見光通信系統中信號傳播方式是LED以廣播的方式來進行的，這樣的系統設計時比較簡單，只有單一的下行通信鏈路。但是當需要維護系統中VLID信號數據時，只能通過外部接口進行操作，而LED通常安裝在天花板上，這樣就使得系統的管理和維護很不方便。本文提出建立可見光信號的上行通道鏈路，從而實現雙向交互式通信，通過設置系統管理指令，使可見光通信系統具有LED燈光亮度調節、VLID信號管理及系統重置復位等功能，這樣大大提高了可見光通信系統的可維護性和可擴展性。

雙向交互式可見光通信系統主要設計可見光光源控制部分，接收終端以及管理設備，研發的技術路線如圖6所示。

在上行通道鏈路中，完成管理設備與可見光光源控制部分之間的通信，當需要修改系統中某個配置參數時，管理設備將設置好的系統管理指令封裝成數據幀形式，發送至可見光光源控制部分，完成相關參數的修改。為了便于設計和實現，系統中只有管理設備可以發送上行信號，其他的終端設備只能接受單向的下行信號。

4 可見光通信系統與無線傳輸系統的比較

現有的無線傳輸系統多采用GPS、藍牙以及紅外線等方式傳輸信號，與現有的系統相比，有以下兩個方面的優勢：

第一方面，可見光通信系統安全環保，因為在可見光通信系統中多采用白LED，白LED發出的光源對人體無害，而且在可見光信號傳輸過程也不會產生電磁干擾。

第二方面，可見光通信系統相對來說比較節約資源，可見光通信系統可以同時完成照明和通信兩大功能，無須另外鋪設線路，只需要對原有的LED進行改造，并利用原有照明線路給系統進行供電，就可以實現照明和通信兩個功能。

5 結 論

本文提出一種雙向交互式可見光通信系統，研究可見光識別信號（VLID）的編解碼技術，將可見光信號組成一定規律的編碼序列進行信號傳輸；同時研究自由空間的抗干擾技術，解決可見光信號傳輸范圍重疊時相鄰信號的干擾問題。下一步我們將著重研究在移動場景中，如何實現較高的鏈路質量和連接性能，并完成在移動場景中的鏈路切換。

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作者簡介：喬琪（1983-），男，江蘇淮安人，碩士，講師。研究方向：光通信系統、智能信號與圖像處理。